水足跡視角下黑龍江省糧食生產(chǎn)用水分析

付 強(qiáng) 劉 燁 李天霄 崔 嵩 劉 東 成 琨

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

水足跡視角下黑龍江省糧食生產(chǎn)用水分析

付 強(qiáng) 劉 燁 李天霄 崔 嵩 劉 東 成 琨

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

運(yùn)用水足跡理論，計(jì)算黑龍江省各地區(qū)2007—2012年的糧食水足跡，分析其糧食作物用水情況。結(jié)果表明：黑龍江省糧食生產(chǎn)用水量巨大，糧食作物灌溉用水量存在逐年增加的趨勢(shì)，用于糧食生產(chǎn)的灌溉用水量占黑龍江省水資源消耗量的絕大多數(shù)。黑龍江省各地區(qū)的糧食水足跡在空間分布上存在顯著差異，大體上呈東北部高，西南部低的趨勢(shì)；糧食藍(lán)水足跡明顯低于綠水足跡，糧食生產(chǎn)對(duì)綠水的依賴(lài)度較高。黑龍江省糧食水足跡整體上小于單產(chǎn)需水量，部分地區(qū)糧食作物生產(chǎn)過(guò)程中缺水現(xiàn)象嚴(yán)重?？臻g自相關(guān)分析顯示，黑龍江省2007—2012年的糧食綠水足跡和藍(lán)水足跡均存在相似值之間的空間聚集性。黑龍江省農(nóng)墾總局的糧食產(chǎn)量較高，但糧食藍(lán)水足跡比例較高，糧食生產(chǎn)比較依賴(lài)灌溉水資源，水資源消耗量較大。由于2009年糧食作物單位面積產(chǎn)量顯著降低，使得2007—2012年被分成2007—2008年和2009—2012年2個(gè)不同的時(shí)期，糧食水足跡在2個(gè)時(shí)期均存在逐年降低的趨勢(shì)，糧食生產(chǎn)的用水效率逐年升高。

糧食； 水足跡； 水資源； 空間分布； 灌溉； 黑龍江省

引言

水足跡是一個(gè)國(guó)家、一個(gè)地區(qū)或一個(gè)人在一定時(shí)期內(nèi)消費(fèi)的產(chǎn)品和服務(wù)所需要的淡水資源的數(shù)量[1]。它也可以表示生產(chǎn)某一產(chǎn)品或提供某種服務(wù)所消耗的淡水資源量[2]，它是虛擬水理論的繼承和發(fā)展[3]。糧食作為一種水資源密集型產(chǎn)品，其水足跡能夠有效地反映某一區(qū)域內(nèi)糧食生產(chǎn)過(guò)程中的水資源利用情況。對(duì)于糧食水足跡的研究既有灌區(qū)尺度研究[4]，也有以全國(guó)各省區(qū)為研究對(duì)象的全國(guó)尺度研究[5]，還有全球尺度研究[6]。

黑龍江省作為糧食大省，當(dāng)前對(duì)其糧食生產(chǎn)的研究較多，主要是基于全省尺度的糧食產(chǎn)量研究[7-8]和全省尺度的糧食生產(chǎn)用水研究[9]。與以用水量為主導(dǎo)的水資源評(píng)價(jià)和水資源利用分析視角不同，王斌[10]利用產(chǎn)量和水分利用效率估算糧食總體耗水量的方法分析了黑龍江省2002—2011年的糧食耗水量，但同樣只能從整體上分析黑龍江省糧食生產(chǎn)用水狀況，并沒(méi)有對(duì)其在黑龍江省各地區(qū)的空間分布進(jìn)行分析。操信春等[5]采用水足跡對(duì)全國(guó)各省的糧食生產(chǎn)用水進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，分析了各省糧食生產(chǎn)用水的空間分布差異。而在黑龍江省省區(qū)尺度，利用水足跡理論分析糧食生產(chǎn)用水的研究并不多，尚不能滿足黑龍江省糧食生產(chǎn)用水管理的需要。

本文分析黑龍江省的糧食生產(chǎn)用水概況，并運(yùn)用水足跡理論，分別對(duì)黑龍江省各地區(qū)2007—2012年的糧食藍(lán)水足跡和綠水足跡進(jìn)行計(jì)算，分析黑龍江省糧食水足跡的時(shí)間變化規(guī)律和空間分布特征，在水足跡的視角下分析糧食作物生產(chǎn)過(guò)程中的水資源利用情況，比較糧食水足跡與單產(chǎn)需水量的差異，為黑龍江省各地區(qū)糧食生產(chǎn)的用水管理提供理論依據(jù)，為黑龍江省可用水資源的分配提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

黑龍江省耕地面積占全國(guó)耕地面積的1/9，糧食產(chǎn)量排在全國(guó)第2位，糧食商品量占全國(guó)的1/6，是我國(guó)最大的商品糧生產(chǎn)基地[11-12]。糧食作物生產(chǎn)用水作為黑龍江省主要的水資源消耗方式之一，嚴(yán)重制約著黑龍江省的可用水資源分配。黑龍江省糧食作物生產(chǎn)用水的高效利用，關(guān)系到國(guó)家的糧食安全、水資源安全以及生態(tài)安全[13]。因此，對(duì)于黑龍江省糧食生產(chǎn)中水資源利用情況的研究具有非常巨大的現(xiàn)實(shí)意義。黑龍江省除了下轄13個(gè)地級(jí)市外，還存在著農(nóng)墾總局這一特殊的行政管理體制。黑龍江省農(nóng)墾總局下轄9個(gè)管理局、113個(gè)農(nóng)牧場(chǎng)，分布在全省12個(gè)市，遍布小興安嶺山麓、松嫩平原和三江平原地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

文中的糧食是谷物、豆類(lèi)和薯類(lèi)等的統(tǒng)稱(chēng)[14]。黑龍江省各地區(qū)降水量數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)。農(nóng)業(yè)用水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自《黑龍江省水利建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》[15]。糧食產(chǎn)量、播種面積等農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)來(lái)自《黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒》[16]。

1.3 計(jì)算方法

1.3.1 糧食水足跡

研究區(qū)域?yàn)楹邶埥〉?3個(gè)地級(jí)市行政區(qū)，根據(jù)糧食生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際用水量來(lái)計(jì)算糧食水足跡。為了避免不同年份間的差異對(duì)研究結(jié)果的影響，同時(shí)分析糧食水足跡的時(shí)間變化規(guī)律，分別計(jì)算2007—2012年黑龍江省各地區(qū)的糧食水足跡。糧食水足跡包括糧食藍(lán)水足跡和糧食綠水足跡，其計(jì)算公式[5]分別為

wf=wfb+wfg

(1)

其中

(2)

式中wf——單位產(chǎn)量的糧食水足跡，m3/kgwfb——單位產(chǎn)量的糧食藍(lán)水足跡，m3/kgwfg——單位產(chǎn)量的糧食綠水足跡，m3/kgIg——糧食作物生育期內(nèi)單位面積的毛灌溉水量，mm

Pe——糧食作物生育期內(nèi)的有效降水量，mm

y——單位面積的糧食作物產(chǎn)量，kg/hm2

糧食藍(lán)水足跡比例計(jì)算式為

(3)

糧食作物毛灌溉總水量計(jì)算式為

(4)

式中Wf——糧食作物總用水量，m3Wa——農(nóng)作物總用水量，m3Sfi——第i種糧食作物種植面積，hm2Saj——第j種農(nóng)作物種植面積，hm2mfi——第i種糧食作物灌溉定額，m3/hm2maj——第j種農(nóng)作物灌溉定額，m3/hm2n——糧食作物種類(lèi)數(shù)l——農(nóng)作物種類(lèi)數(shù)

黑龍江省2007—2012年6年間，糧食作物種植面積均占農(nóng)作物種植面積的90%以上，雖然各糧食作物和非糧食作物的灌溉定額差異較大，但非糧食作物的種植面積遠(yuǎn)小于糧食作物種植面積，因此將糧食作物和非糧食作物的灌溉定額假設(shè)相同，其計(jì)算不會(huì)產(chǎn)生較大的誤差[17]。

黑龍江省糧食作物的生育期主要分布在5—9月份[18]，在計(jì)算糧食綠水足跡時(shí)，生育期內(nèi)有效降水量取5—9月份的有效降水量之和。

有效降水量的計(jì)算采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的方法[13,19]，以旬為步長(zhǎng)，計(jì)算式為

(5)

其中

(6)

式中Pei——糧食作物生育期內(nèi)第i旬的有效降水量，mm

Pi——糧食作物生育期內(nèi)第i旬降水量，mm

k——糧食作物生育期內(nèi)總旬?dāng)?shù)

1.3.2 空間自相關(guān)性分析的全局Moran’sI

全局自相關(guān)是反映全部研究對(duì)象間的相關(guān)性，Moran’sI是一個(gè)常用的度量全局空間自相關(guān)的指標(biāo)[20]。Moran’sI反映空間鄰接或空間鄰近的區(qū)域單元屬性值的相似程度，范圍在-1～1之間，1表示空間數(shù)據(jù)之間存在強(qiáng)烈的正自相關(guān)，-1表示空間數(shù)據(jù)之間存在強(qiáng)烈的負(fù)自相關(guān)，0則表示空間數(shù)據(jù)是隨機(jī)模式，獨(dú)立分布，不存在相關(guān)性[21]。Moran’sI的計(jì)算公式[22]為

(7)

式中Wij——空間權(quán)重矩陣元素，通過(guò)空間鄰接方式和空間距離來(lái)確定

xi——區(qū)域單元i的屬性值

t——區(qū)域單元數(shù)

常用標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量Z來(lái)檢驗(yàn)區(qū)域是否存在空間自相關(guān)關(guān)系，Z的計(jì)算公式為

(8)

式中E(I)——Moran’sI的期望值 Var(I)——Moran’sI的方差

當(dāng)Z值為正時(shí)，表明存在正的空間自相關(guān)，也就是說(shuō)相似的觀測(cè)值趨于空間集聚；當(dāng)Z值為負(fù)時(shí)，表明存在負(fù)的空間自相關(guān)，相似的觀測(cè)值趨于分散分布；當(dāng)Z值為0時(shí)，觀測(cè)值呈現(xiàn)獨(dú)立隨機(jī)分布。

1.3.3 糧食作物單產(chǎn)需水量

各地區(qū)的糧食作物單產(chǎn)需水量計(jì)算式[23]為

(9)

其中

(10)

式中wr——主要糧食作物加權(quán)平均得到的單產(chǎn)需水量，m3/kg

wri——第i種糧食作物單產(chǎn)需水量，m3/kg

Wri——第i種糧食作物單位面積需水量，可看作是糧食作物生育期的累積蒸發(fā)蒸騰總量，可由彭曼公式計(jì)算得到[24]，m3/hm2

yi——第i種糧食作物單位面積產(chǎn)量，kg/hm2

2 結(jié)果與分析

2.1 黑龍江省糧食生產(chǎn)及用水分析

圖1 黑龍江省各地區(qū)糧食生產(chǎn)及用水指標(biāo)分布Fig.1 Distributions of grain production and water utilization in different areas of Heilongjiang Province

2007—2012年黑龍江省各地區(qū)糧食生產(chǎn)及用水指標(biāo)分布情況如圖1所示?？臻g上，黑龍江省各地區(qū)糧食作物種植面積的分布差異較大(圖1a)，農(nóng)墾總局、齊齊哈爾市、哈爾濱市、綏化市和佳木斯市等地區(qū)的糧食作物種植面積較大；而大興安嶺地區(qū)、七臺(tái)河市、鶴崗市和伊春市等地區(qū)的糧食作物種植面積較小。黑龍江省各地區(qū)糧食作物總產(chǎn)量的分布規(guī)律(圖1b)和糧食作物種植面積的分布規(guī)律基本一致。

黑龍江省各地區(qū)糧食作物灌溉用水量分布差異也較大(圖1c)，農(nóng)墾總局最大，占全省糧食作物灌溉用水量的30.53%，哈爾濱市、佳木斯市、綏化市和齊齊哈爾市等地區(qū)也均較大；而大興安嶺地區(qū)、黑河市和七臺(tái)河市等地區(qū)均較小。黑龍江省各地區(qū)糧食作物用水比例分布差異不明顯(圖1d)，黑龍江省農(nóng)墾總局糧食作物用水比例最高；大興安嶺地區(qū)最低；由于石油工業(yè)存在著較大的耗水量，大慶市也明顯低于全省平均值。

黑龍江省各地區(qū)的灌溉面積比例的分布差異顯著(圖1e)，其中，大慶市最高，農(nóng)墾總局也較高；大興安嶺地區(qū)、黑河市最低；而鶴崗市、佳木斯市6年間存在明顯的增加趨勢(shì)。黑龍江省各地區(qū)的水田面積比例的分布差異也較為顯著(圖1f)，其中，農(nóng)墾總局最高，鶴崗市、雞西市、佳木斯市、哈爾濱市均較高；大興安嶺地區(qū)沒(méi)有水田種植，黑河市的水田種植面積極低。

黑龍江省2007—2012年糧食作物生產(chǎn)及用水總體概況如表1所示。時(shí)間上，2009年相比2008年糧食播種面積呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，而其他年份則呈平穩(wěn)增加的趨勢(shì)。黑龍江省灌溉面積比例6年間呈上升趨勢(shì)，僅2009年呈下降趨勢(shì)，這主要是由于2009年糧食播種面積顯著增加，而灌溉面積沒(méi)有明顯增加，導(dǎo)致灌溉面積比例在2009年呈現(xiàn)一個(gè)較大的下降趨勢(shì)；同時(shí)2009年也是豐水年，降水量較大，對(duì)灌溉的需求量較小。黑龍江省水田面積比例6年間同樣呈現(xiàn)平穩(wěn)增加趨勢(shì)。黑龍江省糧食作物用水比例6年間變化幅度很小，6年平均值為86.27%。通過(guò)糧食作物用水比例可以看出，黑龍江省作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大省，糧食作物消耗的灌溉水資源量占黑龍江省水資源消耗的絕大多數(shù)，較高的糧食作物用水比例嚴(yán)重制約著黑龍江省除了農(nóng)業(yè)以外其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，阻礙了黑龍江省經(jīng)濟(jì)的良性發(fā)展。在2007—2012年的6年間，黑龍江省糧食作物的播種面積逐年增長(zhǎng)，糧食作物總產(chǎn)量也穩(wěn)步上升，同時(shí)灌溉面積比例大體上也呈逐年增加的趨勢(shì)，糧食生產(chǎn)消耗的灌溉水量也隨之逐年增加，導(dǎo)致黑龍江省的水資源壓力逐年增加。而糧食作物灌溉水資源投入的增加對(duì)于糧食作物生產(chǎn)過(guò)程中灌溉水資源的利用效率具有一定的影響，這種影響關(guān)系到黑龍江省可用水資源分配的決策，這就需要從糧食水足跡的角度來(lái)分析水資源的利用效率。

表1 黑龍江省糧食作物生產(chǎn)及用水總體概況

圖2 黑龍江省各地區(qū)糧食水足跡分布Fig.2 Distributions of grain water footprint in different areas of Heilongjiang Province

2.2 糧食水足跡分析

2.2.1 空間分析

運(yùn)用水足跡理論，分別計(jì)算黑龍江省各地區(qū)的糧食藍(lán)水足跡和綠水足跡，并計(jì)算黑龍江省各地區(qū)的糧食水足跡和藍(lán)水比例，分析黑龍江省糧食作物灌溉過(guò)程中灌溉水資源和降水資源的利用情況。計(jì)算得到黑龍江省13個(gè)地區(qū)2007—2012年的糧食水足跡空間分布狀況如圖2所示。

糧食藍(lán)水足跡反映了糧食生產(chǎn)過(guò)程中消耗的灌溉水資源，在灌溉水比例一定的情況下，糧食藍(lán)水足跡越低，灌溉水資源的利用效率越高?？臻g上，黑龍江省各地區(qū)糧食藍(lán)水足跡的分布差異顯著(圖2a)，大體上呈北部低、南部高、東部高、西部低的趨勢(shì)。其中，鶴崗市最高，最高值為全省平均值的3.57倍，雞西市、佳木斯市、哈爾濱市均較高；大興安嶺地區(qū)最低，最低值僅為全省平均值的2%，其次為黑河市；黑龍江省農(nóng)墾總局6年的糧食藍(lán)水足跡均高于全省平均水平。

糧食綠水足跡反映了糧食生產(chǎn)過(guò)程中降水資源的利用情況，黑龍江省各地區(qū)糧食綠水足跡的分布具有一定的差異性(圖2b)，大體上呈北部高、南部低、東部高、西部低的趨勢(shì)。其中，大興安嶺地區(qū)最高，最高值為全省平均值的2.33倍，其次為黑河市；大慶市最低，最低值僅為全省平均值的44%，哈爾濱市、綏化市、雞西市、雙鴨山市均較低；黑龍江省農(nóng)墾總局6年的糧食綠水足跡含量均低于全省平均水平。

空間上，黑龍江省各地區(qū)的糧食水足跡的分布差異顯著(圖2c)，全省大體上呈北部高、南部低、東部高、西部低的趨勢(shì)。其中，鶴崗市的糧食水足跡最高，最高值為全省平均值的1.99倍，大興安嶺地區(qū)、黑河市均較高；綏化市最低，最低值僅為全省平均值的54%，大慶市也較低；黑龍江省農(nóng)墾總局6年的糧食水足跡接近全省平均水平。

藍(lán)、綠水足跡不足以表示糧食生產(chǎn)用水的組成狀況，而藍(lán)水比例可以反映不同區(qū)域水足跡的構(gòu)成存在差異。黑龍江省各地區(qū)的糧食水足跡藍(lán)水比例的分布差異顯著(圖2d)，大體上呈北部低、南部高、東部高、西部低的趨勢(shì)。絕大多數(shù)地區(qū)6年平均藍(lán)水比例均在50%以下，黑龍江省的灌溉系統(tǒng)與中國(guó)南方省區(qū)相比較為不發(fā)達(dá)，糧食生產(chǎn)比較依賴(lài)降水資源。藍(lán)水比例略高于50%的地區(qū)僅有三江平原的雞西市和鶴崗市，這主要是由于水田面積比例較高，而水稻生產(chǎn)的耗水量明顯大于其他糧食作物[25]，因此應(yīng)適當(dāng)減少水田面積或采用先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)，降低糧食灌溉水引用量，緩解該地區(qū)的水資源壓力。而同處于三江平原的佳木斯市、七臺(tái)河市、雙鴨山市等地區(qū)的藍(lán)水比例相對(duì)較低。主要處于松嫩平原的哈爾濱市、大慶市、齊齊哈爾市、綏化市等地區(qū)的糧食水足跡均較低，藍(lán)水比例處于全省中等水平，灌溉水和降水的利用效率均較高，結(jié)合這些地區(qū)較高的糧食作物單產(chǎn)水平，較為適合進(jìn)行糧食生產(chǎn)。藍(lán)水比例最低的大興安嶺地區(qū)和黑河市均不足5%，糧食生產(chǎn)用水幾乎完全依賴(lài)于降水資源。且兩地的糧食單產(chǎn)不高，不適合發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，兩地應(yīng)控制本地區(qū)水田的面積，以達(dá)到水資源可持續(xù)發(fā)展的需要；同時(shí)通過(guò)適當(dāng)?shù)挠盟呗?，緩解可用水資源短缺的情況，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。牡丹江市和伊春市的糧食綠水足跡均處于中等水平，而糧食藍(lán)水足跡較低，藍(lán)水比例較低。農(nóng)墾總局的藍(lán)水比例高于全省平均水平，在全省屬于較高的水平。由于耕地規(guī)模大、現(xiàn)代化程度高、綜合生產(chǎn)能力強(qiáng)，黑龍江省農(nóng)墾總局僅用全省19.94%的糧食作物種植面積生產(chǎn)出全省35.40%的糧食作物產(chǎn)量，糧食作物生產(chǎn)能力較強(qiáng)。但農(nóng)墾總局的糧食作物生產(chǎn)比較依賴(lài)灌溉水資源，灌溉水資源的消耗量較大，占全省糧食灌溉用水量的30.53%。這勢(shì)必會(huì)增加周邊地區(qū)的水資源壓力，不利于周邊地區(qū)的發(fā)展。

2.2.2 空間自相關(guān)性分析

對(duì)2007—2012年黑龍江省各地區(qū)的糧食藍(lán)水足跡和綠水足跡進(jìn)行空間自相關(guān)分析，得到各年糧食水足跡的Moran’sI值如表2所示。黑龍江省2007—2012年6年間的綠水足跡空間分布存在著顯著的正的空間自相關(guān)性，即黑龍江省各地區(qū)糧食綠水足跡空間分布并非表現(xiàn)出完全的隨機(jī)性，而是表現(xiàn)出相似值之間的空間集聚，糧食綠水足跡高的地區(qū)相對(duì)地趨于和糧食綠水足跡高的地區(qū)相鄰，糧食綠水足跡低的地區(qū)相對(duì)地趨于和糧食綠水足跡低的地區(qū)相鄰。這主要是由于糧食綠水足跡主要受降水量的影響，而降水量在地理位置相鄰近的地區(qū)空間上呈相似集聚[26]。2009—2011年黑龍江省的藍(lán)水足跡空間分布呈現(xiàn)為顯著的、正的空間自相關(guān)；而2008年和2012年的藍(lán)水足跡空間分布呈現(xiàn)為不顯著的正的空間自相關(guān)性，只有2007年的藍(lán)水足跡空間分布表現(xiàn)為不顯著的負(fù)的空間自相關(guān)性，且Moran’sI值只有-0.020。6年間藍(lán)水足跡的空間分布整體上也呈現(xiàn)為正的空間自相關(guān)性，表現(xiàn)為相似值之間的空間集聚，糧食藍(lán)水足跡高的地區(qū)相對(duì)地趨于和糧食藍(lán)水足跡高的地區(qū)相鄰，糧食藍(lán)水足跡低的地區(qū)相對(duì)地趨于和糧食藍(lán)水足跡低的地區(qū)相鄰。這主要是由于黑龍江省各相鄰地區(qū)的區(qū)域灌溉特征、糧食作物生產(chǎn)管理方式和糧食生產(chǎn)投入狀況等社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件在地理空間上呈現(xiàn)出一定的相似性[5]。黑龍江省各地區(qū)的藍(lán)水足跡雖然差異明顯，但在相鄰區(qū)域具有一定的相似性，黑龍江省各地區(qū)應(yīng)根據(jù)自身實(shí)際情況，借鑒其相鄰地區(qū)的糧食作物種植策略和灌溉管理方式經(jīng)驗(yàn)，因地制宜地發(fā)展符合地區(qū)特點(diǎn)的糧食生產(chǎn)方式。

2.2.3 時(shí)間分析

黑龍江省各地區(qū)2007—2012年糧食水足跡的全省平均值如表3所示。2007—2012年黑龍江省糧食藍(lán)水足跡整體上呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)。糧食藍(lán)水足跡在2009年呈現(xiàn)出異常的上升趨勢(shì)，這主要是由于雖然2009年相比2008年糧食播種面積激增，但是2009年黑龍江省農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)經(jīng)歷了春旱、夏澇、伏旱、寡照和低溫等多重自然災(zāi)害[27]，使得糧食作物的單位面積產(chǎn)量顯著降低，最終導(dǎo)致2009年的糧食藍(lán)水足跡異常增多，同時(shí)也使得2007—2012年被分成2007—2008年和2009—2012年2個(gè)不同的時(shí)期。

表2 黑龍江省糧食水足跡Moran’s I及其統(tǒng)計(jì)參數(shù)值

注：p為假設(shè)概率。

表3 黑龍江省各地區(qū)糧食水足跡平均值

黑龍江省的糧食綠水足跡在2007—2008年和2009—2012年2個(gè)不同的時(shí)期分別呈逐年下降趨勢(shì)，而在2009年有顯著的增加。2009年糧食作物單位面積產(chǎn)量的顯著降低同樣也影響到了2009年的糧食綠水足跡，導(dǎo)致2009年糧食綠水足跡增多；另一方面，糧食綠水足跡主要來(lái)源于作物生育期的有效降水量，由于2009年是一個(gè)典型的豐水年，降水量異常豐富也是導(dǎo)致2009年糧食綠水足跡較2008年增多較多的一個(gè)主要原因。2007—2012年黑龍江省各地區(qū)糧食作物生育期(5—9月份)平均降水量分別為271.66、296.16、355.74、324.62、300.33、338.50 mm。2008年的生育期平均降水量高于2007年，2008年的糧食綠水足跡卻較2007年低；同樣2012年的降水量高于2010年和2011年，糧食綠水足跡在2009—2012年卻呈逐年下降的趨勢(shì)。

黑龍江省糧食水足跡在2007—2008年呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，2009—2012年的糧食水足跡同樣呈現(xiàn)逐年減小的趨勢(shì)，而2009年的糧食水足跡由于藍(lán)水足跡和綠水足跡均異常增多而較2008年呈增加趨勢(shì)。在2007—2008年和2009—2012年2個(gè)時(shí)期內(nèi)，糧食作物灌溉用水量的逐年增加雖然消耗了更多的水資源，但同時(shí)也生產(chǎn)了更多的糧食，且生產(chǎn)單位質(zhì)量的糧食消耗的水資源量減少，獲得的糧食作物增產(chǎn)的增益高于水資源消耗的增加。節(jié)約水資源并不僅是要節(jié)約水資源的用量，更要提高水資源的利用效率，而糧食水足跡能夠有效地反映水資源的利用效率。

黑龍江省2007—2012年糧食藍(lán)水足跡比例變化呈平穩(wěn)趨勢(shì)，6年的均值為31.31%，說(shuō)明黑龍江省糧食生產(chǎn)用水結(jié)構(gòu)6年間基本保持不變。灌溉水量雖然逐年增加，并沒(méi)有明顯地影響到糧食作物的生產(chǎn)用水結(jié)構(gòu)。僅2009年由于生育期降水量充沛，糧食藍(lán)水足跡比例相比其他年份較低。

2.2.4 糧食作物水足跡與單產(chǎn)需水量比較

圖3 黑龍江省各地區(qū)的單產(chǎn)需水量與糧食水足跡Fig.3 Water requirement per unit yield and grain water footprint in different areas of Heilongjiang Province

2012年黑龍江省各地區(qū)糧食作物的單產(chǎn)需水量見(jiàn)圖3。2012年黑龍江省糧食作物水足跡整體上小于單產(chǎn)需水量，糧食作物生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)際投入的水資源量不足，存在著一定的缺水現(xiàn)象[28]。其中，鶴崗市的糧食水足跡大于單產(chǎn)需水量較多，哈爾濱市、雞西市、綏化市、農(nóng)墾總局糧食水足跡略大于單產(chǎn)需水量；其他9個(gè)地區(qū)糧食水足跡均不同程度地小于單產(chǎn)需水量，其中伊春市缺水程度最大，糧食水足跡不到單產(chǎn)需水量的1/2。這一結(jié)果顯示，雖然黑龍江省水資源量相對(duì)比較充沛，但是在部分地區(qū)的糧食作物生產(chǎn)過(guò)程中仍存在較為嚴(yán)重的缺水現(xiàn)象，水資源的高效利用應(yīng)該被充分重視。水資源短缺嚴(yán)重的地區(qū)可采取以下措施降低糧食作物生產(chǎn)中水資源的消耗量，提高水資源的利用效率：改善糧食作物種植結(jié)構(gòu)減少作物需水量；提高渠道襯砌率減少灌溉水資源的滲漏損失；修建蓄水建筑物存蓄未被作物直接利用的降水資源。

3 結(jié)論

(1)黑龍江省糧食作物的播種面積逐年增長(zhǎng)，糧食生產(chǎn)消耗的灌溉水量也逐年增加，糧食作物用水比例巨大，嚴(yán)重制約著黑龍江省除農(nóng)業(yè)以外其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

(2)黑龍江省各地區(qū)的糧食水足跡在空間分布上存在顯著差異，大體上呈東北部高，西南部低的趨勢(shì)。黑龍江省的糧食藍(lán)水足跡明顯低于綠水足跡，綠水資源是糧食作物生產(chǎn)過(guò)程中消耗的最主要的水資源類(lèi)型。2007—2012年黑龍江省各地區(qū)綠水足跡和藍(lán)水足跡的空間分布整體上都呈現(xiàn)為相似值之間的空間集聚，說(shuō)明相鄰地區(qū)間糧食作物生產(chǎn)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件具有一定的相似性，值得互相交流借鑒糧食作物種植和節(jié)水經(jīng)驗(yàn)。

(3)由于2009年黑龍江省糧食作物單位面積產(chǎn)量的顯著降低，使得2007—2012年被分成2007—2008年和2009—2012年2個(gè)不同的時(shí)期。糧食水足跡在2個(gè)時(shí)期均存在逐年降低的趨勢(shì)，雖然黑龍江省糧食作物的灌溉用水量逐年增加，糧食生產(chǎn)的用水效率卻得到了提升。

(4)黑龍江省農(nóng)墾總局由于糧食生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)，僅用較少的種植面積生產(chǎn)出較多的糧食作物，但其糧食藍(lán)水足跡比例較高，糧食生產(chǎn)比較依賴(lài)灌溉水資源，水資源消耗量較大。

(5)黑龍江省糧食作物水足跡整體上小于單產(chǎn)需水量，部分地區(qū)糧食作物生產(chǎn)過(guò)程中存在較為嚴(yán)重的缺水現(xiàn)象。黑龍江省水資源空間分布不均，各地區(qū)水資源情況差異較大。

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Analysis of Water Utilization in Grain Production from Water Footprint Perspective in Heilongjiang Province

FU Qiang LIU Ye LI Tianxiao CUI Song LIU Dong CHENG Kun

(SchoolofWaterConservancyandCivilEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

In order to provide decision-making references for the allocation of available water resources in Heilongjiang Province, water footprint theory was used to calculate the grain water footprint during 2007—2012 in different areas of Heilongjiang Province, and the water utilization of food crops was analyzed in Heilongjiang Province during 2007—2012. The results showed that water consumption of grain production was huge, which was increased instantly over the years in Heilongjiang Province. Grain water footprint was less than the water requirement for per unit yield in different areas of Heilongjiang Province, and water shortage was serious in the process of grain crop production in some areas. Through spatial autocorrelation analysis, it showed that the grain green water footprint and the grain blue water footprint of Heilongjiang Province in 2007—2012 both had spatial clustering between similar values. The grain yield of Heilongjiang Farms & Land Reclamation Administration was high, but the ratio of grain blue water footprint was also high, and the grain production was more dependent on irrigation water resources, the water consumption was great. There were significant differences in the spatial distribution of grain water footprint in different areas of Heilongjiang Province, which was generally high in the northeast and low in the southwest. In the six years, the average grain water footprints were 1.15 m3/kg, 1.01 m3/kg, 1.32 m3/kg, 1.04 m3/kg, 0.91 m3/kg and 0.83 m3/kg, respectively. The blue water footprint of grain was significantly lower than that of the green water footprint in Heilongjiang Province, and grain production was highly dependent on the green water resources. In the six years, the average grain blue water footprint ratios were 33.91%, 31.68%, 25.76%, 29.81%, 32.97% and 33.73%, respectively. Due to the significant reduction of grain yield per unit area in 2009, the years of 2007—2012 was divided into two distinct periods of 2007—2008 and 2009—2012. The grain water footprint had the trend of decreasing year by year during the two periods, and the water use efficiency of grain production in the two periods were increased year by year. From the perspective of grain water footprint, the situation of water use in grain production in different areas of Heilongjiang Province was discussed. It can effectively reflect the grain crop production and water resources utilization efficiency, and provide technical support for the water management in grain production in Heilongjiang Province.

grain; water footprint; water resources; spatial distribution; irrigation; Heilongjiang Province

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.024

2016-10-18

2016-12-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51479032、51279031、51609039)、黑龍江省高校長(zhǎng)江學(xué)者后備支持計(jì)劃項(xiàng)目、黑龍江省水利科技項(xiàng)目(201318、201503)和中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2016M601410)

付強(qiáng)(1973—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)水土資源系統(tǒng)分析等研究，E-mail： fuqiang0629@126.com

S273; TV213.9

A

1000-1298(2017)06-0184-09